CN101459036B - 一种快速优化刻蚀均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速优化刻蚀均匀性的方法，首先确定原始刻蚀条件下刻蚀图形的关键尺寸和形貌的优化方向，包括如下步骤：第1步，在所述原始刻蚀条件下刻蚀有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；第2步，改变所述原始刻蚀条件，刻蚀所述有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；第3步，比较第1步和第2步得到的的两个刻蚀速率差，得到刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向；当变化方向与优化方向一致或相反，表示第2步的刻蚀条件有利或不利于刻蚀图形的刻蚀均匀性。本发明可以大大缩短研发时间，同时大幅节省晶片消耗。

Description

一种快速优化刻蚀均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制造中优化刻蚀工艺的方法。

背景技术

在刻蚀条件的研发和优化过程中，刻蚀图形的关键尺寸(CD)和形貌(profile)在晶片(wafer)内的均匀性(uniformity)是一个重要的衡量标准。最理想的情况下，晶片各部位的关键尺寸都一样，且形貌都为直或者都为斜(taper)。

现有的优化刻蚀均匀性的方法请参阅图1：

第1步，收集需要优化刻蚀均匀性的刻蚀图形的刻蚀条件、关键尺寸和形貌的数据，确定优化方向；

第2步，改变第1步的刻蚀条件得到一个或多个新刻蚀条件，在每个新刻蚀条件下刻蚀图形。在刻蚀图形的晶片的不同区域切断面，用二次电子显微镜(SEM)测量断面处刻蚀图形的关键尺寸和形貌；

第3步，比较第1步和第2步所得晶片不同区域的刻蚀图形的关键尺寸和形貌，选择与优化方向一致的新刻蚀条件进行量化研究。

上述方法在实践中仍然存在不足，其一是二次电子显微镜测量晶片断面处关键尺寸和形貌的数据一般都在半天以上，导致刻蚀条件的研发时间大量耗费在等待二次电子显微镜上；其二是对每个刻蚀条件研究时都需要在晶片上刻蚀图形并切片测量，这会消耗大量的晶片。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速优化刻蚀均匀性的方法。

为解决上述技术问题，本发明快速优化刻蚀均匀性的方法确定原始刻蚀条件下刻蚀图形的关键尺寸和形貌的优化方向，所述方法包括如下步骤：

第1步，在所述原始刻蚀条件下刻蚀有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第2步，改变所述原始刻蚀条件，刻蚀所述有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第3步，比较第1步和第2步得到的的两个刻蚀速率差，得到刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向一致，表示第2步的刻蚀条件有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向相反，表示第2步的刻蚀条件不利于刻蚀图形的均匀性。

本发明快速优化刻蚀均匀性的方法通过对不同刻蚀条件下刻蚀带有薄膜的光片的刻蚀速率变化情况，实现对应刻蚀条件下刻蚀图形的刻蚀均匀性的变化的研究，利用了薄膜的刻蚀速率变化和刻蚀图形的刻蚀均匀性的变化之间的内在规律。籍此本发明可以采用膜厚测量设备测量带有薄膜的光片的刻蚀速率，测量时间一般为3分钟左右，大大缩短了研发时间；同时刻蚀后的光片可以经过再工事(rework)即去除薄膜层后重复使用，大幅节省了晶片的消耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1是现有的优化刻蚀均匀性的方法的流程图；

图2是本发明快速优化刻蚀均匀性的方法的流程图；

图3(a)是不同区域的刻蚀图形的示意图；

图3(b)是原刻蚀条件下刻蚀带有薄膜的光片的刻蚀速率分布图；

图3(c)是新刻蚀条件1刻蚀带有薄膜的光片的刻蚀速率分布图；

图3(d)是新刻蚀条件2刻蚀带有薄膜的光片的刻蚀速率分布图

图3(e)是新刻蚀条件3刻蚀带有薄膜的光片的刻蚀速率分布图。

图中附图标记为：1-中间区域；2-边缘区域；d1、d2-关键尺寸。

具体实施方式

请参阅图2，本发明快速优化刻蚀均匀性的方法首先确定原始刻蚀条件下刻蚀图形的关键尺寸和形貌的优化方向，然后包括如下步骤：

第1步，在所述原始刻蚀条件下刻蚀有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第2步，改变所述原始刻蚀条件，刻蚀所述有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第3步，比较第1步和第2步得到的的两个刻蚀速率差，得到刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向一致，表示第2步的刻蚀条件有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向相反，表示第2步的刻蚀条件不利于刻蚀图形的均匀性。

所述带有薄膜的光片包括涂有光刻胶的光片或带有氧化膜或金属膜的光片；所述薄膜包括光刻胶、氧化膜或金属膜。这里的光片是相对于有图形的晶片而言，表示无图形的晶片。

所述刻蚀带有薄膜的光片在刻蚀时只刻蚀光片上的薄膜层，即只刻蚀光片上的光刻胶、氧化膜或金属膜，而不刻蚀硅衬底。这样经过刻蚀的光片在去除薄膜层后可以重复使用，节省了晶片资源。

所述膜厚测量设备至少包括光学膜厚测试仪。

所述用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差，包括如下步骤：

第1步，用膜厚测量设备测量刻蚀前后所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的厚度；

第2步，将所述有薄膜的光片的边缘区域在刻蚀后的厚度减去刻蚀前的厚度，得到所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率；

将所述有薄膜的光片的中心区域在刻蚀后的厚度减去刻蚀前的厚度，得到所述有薄膜的光片的中心区域的刻蚀速率；

第3步，将所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率减去中心区域的刻蚀速率，得到所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差。

所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差值为正值，表示所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率比中心区域的刻蚀速率快；所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差值为负值，表示所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率比中心区域的刻蚀速率慢。

所述刻蚀包括介质膜刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀中的一种或多种。

通过理论和实验研究发现光刻胶的刻蚀速率变化趋势和刻蚀腔内等离子体(plasma)和刻蚀副反应产物(by-product)中的聚合体(polymer)的含量变化趋势具有一定的关系，而聚合体的含量又会显著影响刻蚀图形的关键尺寸和形貌。因此，光刻胶的刻蚀速率变化趋势在一定程度上可以反映刻蚀图形的刻蚀均匀性的变化趋势，即刻蚀图形的关键尺寸和形貌在晶片内的均匀性的变化趋势。

例如，光刻胶的刻蚀速率变快对应于聚合体的含量降低，对应于关键尺寸变大且形貌变直；光刻胶的刻蚀速率变慢对应于聚合体的含量提高，对应于关键尺寸变小且形貌变斜。这里强调的是“趋势”的判断，因为带有薄膜的光片的刻蚀速率的分布不代表有图形晶片上的关键尺寸和形貌的分布，但是在不同刻蚀条件下带有薄膜的光片的刻蚀速率的变化趋势就可以反映有图形晶片上关键尺寸和形貌的变化趋势，从而判断不同刻蚀条件对刻蚀均匀性的影响。这种方法只是定性的分析而非定量的分析，如果新刻蚀条件下关键尺寸和形貌的变化趋势有利于改善刻蚀均匀性，那么可以再通过在晶片上刻蚀图形、切片、用二次电子显微镜测量的传统方法进行量化研究。

对于涂有光刻胶的光片，不同刻蚀条件下其边缘区域与中心区域的刻蚀速率差(以下简称“刻蚀速率差)的变化，边缘区域的刻蚀速率的变化，中心区域的刻蚀速率的变化，与不同刻蚀条件下硅片不同区域的刻蚀图形的关键尺寸和形貌，具有下面的规律：

当新刻蚀条件下的刻蚀速率差比原刻蚀条件下的刻蚀速率差小，且两种刻蚀条件下边缘区域的刻蚀速率变化比中心区域的刻蚀速率变化大，表示新刻蚀条件下硅片边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变小且形貌变斜；

当新刻蚀条件下的刻蚀速率差比原刻蚀条件下的刻蚀速率差小，且两种刻蚀条件下中心区域的刻蚀速率变化比边缘区域的刻蚀速率变化大，表示新刻蚀条件下硅片中心区域的刻蚀图形的关键尺寸变大且形貌变直；

当新刻蚀条件下的刻蚀速率差比原刻蚀条件下的刻蚀速率差大，且两种刻蚀条件下边缘区域的刻蚀速率变化比中心区域的刻蚀速率变化大，表示新刻蚀条件下硅片边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变大且形貌变直；

当新刻蚀条件下的刻蚀速率差比原刻蚀条件下的刻蚀速率差大，且两种刻蚀条件下中心区域的刻蚀速率变化比边缘区域的刻蚀速率变化大，表示新刻蚀条件下硅片中心区域的刻蚀图形的关键尺寸变小且形貌变斜。

作为一种优选的实施方案，所述方法的第2步仅将所述原始刻蚀条件中的一个参数变大或变小；所述方法的第3步中，当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向一致，表示第2步所改变的参数有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性；当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向相反，表示第2步所改变的参数的相反变化方向有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性。

所述刻蚀条件的参数包括刻蚀设备的电极功率、晶片所承受的背压、通入各种气体的流量、刻蚀腔的压力和温度中的一个或多个参数。这样可以单独判断每个参数对刻蚀均匀性的影响。每个新刻蚀条件与第1步的刻蚀条件相比所改变的一个参数有变大或变小两个改变方向，在优选的情况下仅需选择任意一个改变方向即可，这样新刻蚀条件的数量等于刻蚀条件所包括的参数的数量。上述方法的第5步中，当新刻蚀条件的结果与优化方向相反时，将该新刻蚀条件与第1步的刻蚀条件相比所改变的参数进行相反方向的变化后再进行量化研究。如果某个新刻蚀条件的结果与优化方向不相关，即对优化刻蚀均匀性没有影响，那么就舍弃对这个新刻蚀条件与第1步的刻蚀条件相比所改变的那个参数的研究。

下面以一个具体的实施例说明本发明所述方法，假设有一个刻蚀图形的刻蚀均匀性不好，需要优化，如图3(a)所示。

首先请参阅图3(a)，由于晶片中间区域1的刻蚀图形的关键尺寸d1小且形貌斜，边缘区域2的刻蚀图形的关键尺寸d2大且形貌直，那么确定了原始刻蚀条件下刻蚀图形的优化方向就是：中间区域1的刻蚀图形的关键尺寸d1变大且形貌变直、或者将边缘区域2的刻蚀图形的关键尺寸d2变小且形貌变斜。

第1步，在原始刻蚀条件下刻蚀涂有光刻胶的光片，采用光学膜厚测试仪测量刻蚀前后光片不同区域的厚度，得到光片不同区域的刻蚀速率分布请参阅图3(b)，将涂有光刻胶的光片的边缘区域的刻蚀速率减去中心区域的刻蚀速率，得到刻蚀速率差。。图中横坐标表示刻蚀图形位于晶片上的位置，越靠近0表示越靠近中间区域，越远离0表示越远离中间区域；纵坐标表示刻蚀速率，越大表示刻蚀速率越快，越小表示刻蚀速率越慢。

第2步，选取刻蚀设备的电极功率、刻蚀腔的压力、晶片所承受的背压三个参数作为优化调整的参数，分别改变上述一个参数，保持其他参数与第1步的刻蚀条件相同，得到3个新刻蚀条件。

新刻蚀条件1和第1步的刻蚀条件相比，加大了刻蚀设备的电极功率，其余参数保持不变。在新刻蚀条件1下刻蚀涂有光刻胶的光片，刻蚀完成后采用第2步的方法得到光片边缘区域与中心区域的刻蚀速率差，该刻蚀条件下光片不同区域的刻蚀速率分布请参阅图3(c)。

新刻蚀条件2和第1步的刻蚀条件相比，加大了刻蚀腔的压力，其余参数保持不变。在新刻蚀条件2下刻蚀涂有光刻胶的光片，刻蚀完成后采用第2步的方法得到光片边缘区域与中心区域的刻蚀速率差，该刻蚀条件下光片不同区域的刻蚀速率分布请参阅图3(d)。

新刻蚀条件3和第1步的刻蚀条件相比，加大了晶片所承受的背压，其余参数保持不变。在新刻蚀条件3下刻蚀涂有光刻胶的光片，刻蚀完成后采用第2步的方法得到光片边缘区域与中心区域的刻蚀速率差，该刻蚀条件下光片不同区域的刻蚀速率分布请参阅图3(e)。

上述每个参数的变化幅度只要能显现出明显的变化效果即可。

第3步，比较新刻蚀条件1和原刻蚀条件所得的两个刻蚀速率差，也就是比较图3(c)和图3(b)所示的刻蚀速率分布图。从比较可以发现，新刻蚀条件1和原刻蚀条件所得的两个刻蚀速率差大致相同，也就是新刻蚀条件1下光片的中间区域和边缘区域的刻蚀速率都有大致相同幅度的提升，这表示新刻蚀条件1下中间区域和边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸都变大且形貌都变直。所以改变刻蚀设备的电极功率这一参数基本不会对刻蚀均匀性有影响。

比较新刻蚀条件2和原刻蚀条件所得的两个刻蚀速率差，也就是比较图3(d)和图3(b)所示的刻蚀速率分布图。从比较可以发现，新刻蚀条件2所得的刻蚀速率差为较大的负值，原刻蚀条件所得的刻蚀速率差为较小的负值，新刻蚀条件2所得的刻蚀速率差比原刻蚀条件所得的刻蚀速率差要小。并且新刻蚀条件2下光片中间区域的刻蚀速率基本不变，边缘区域的刻蚀速率明显变慢。这表示新刻蚀条件2下边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变小且形貌变斜。

比较新刻蚀条件3和原刻蚀条件所得的两个刻蚀速率差，也就是比较图3(e)和图3(b)所示的刻蚀速率分布图。从比较可以发现，新刻蚀条件3所得的刻蚀速率差为正值，明显大于原刻蚀条件所得的刻蚀速率差。并且新刻蚀条件3下光片中间区域的刻蚀速率基本不变，边缘区域的刻蚀速率明显变快。这表示新刻蚀条件3下边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变大且形貌变直。

因此，新刻蚀条件1的结果与优化没有关系，新刻蚀条件1与原刻蚀条件相比仅仅加大了刻蚀设备的电极功率，因此舍弃加大或减小刻蚀设备的电极功率对刻蚀均匀性的优化效果的研究；

新刻蚀条件2的结果与优化方向一致，新刻蚀条件2与原刻蚀条件相比仅仅加大了刻蚀腔的压力，因此就加大刻蚀腔的压力对刻蚀均匀性的优化效果进行量化研究；

新刻蚀条件3的结果与优化方向相反，新刻蚀条件3与原刻蚀条件相比仅仅加大了晶片所承受的背压，因此就减小晶片所承受的背压对刻蚀均匀性的优化效果进行量化研究。

Claims (9)

1.一种快速优化刻蚀均匀性的方法，所述方法确定原始刻蚀条件下刻蚀图形的关键尺寸和形貌的优化方向，其特征是：所述方法包括如下步骤：

第1步，在所述原始刻蚀条件下刻蚀有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第2步，改变所述原始刻蚀条件，刻蚀所述有薄膜的光片，用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差；

第3步，比较第1步和第2步得到的的两个刻蚀速率差，得到刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向一致，表示第2步的刻蚀条件有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向相反，表示第2步的刻蚀条件不利于刻蚀图形的均匀性。

2.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述刻蚀条件的参数包括刻蚀设备的电极功率、晶片所承受的背压、刻蚀腔中通入各种气体的流量、刻蚀腔的压力和温度中的一个或多个参数。

3.根据权利要求2所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述方法的第2步仅将所述原始刻蚀条件中的一个参数变大或变小；

所述方法的第3步中，当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向一致，表示第2步所改变的参数有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性；

当刻蚀图形的关键尺寸和形貌的变化方向与优化方向相反，表示第2步所改变的参数的相反变化方向有利于刻蚀图形的刻蚀均匀性。

4.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述刻蚀有薄膜的光片只刻蚀光片上的薄膜层。

5.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述有薄膜的光片包括涂有光刻胶的光片或带有氧化膜或金属膜的光片；所述薄膜包括光刻胶、氧化膜或金属膜。

6.根据权利要求5所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述有薄膜的光片为涂有光刻胶的光片；

当第2步得到的刻蚀速率差比第1步得到的刻蚀速率差小，且两种刻蚀条件下边缘区域的刻蚀速率变化比中心区域的刻蚀速率变化大，表示在第2步所述刻蚀条件下边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变小且形貌变斜；

当第2步得到的刻蚀速率差比第1步得到的刻蚀速率差小，且两种刻蚀条件下中心区域的刻蚀速率变化比边缘区域的刻蚀速率变化大，表示在第2步所述刻蚀条件下中心区域的刻蚀图形的关键尺寸变大且形貌变直；

当第2步得到的刻蚀速率差比第1步得到的刻蚀速率差大，且两种刻蚀条件下边缘区域的刻蚀速率变化比中心区域的刻蚀速率变化大，表示在第2步所述刻蚀条件下边缘区域的刻蚀图形的关键尺寸变大且形貌变直；

当第2步得到的刻蚀速率差比第1步得到的刻蚀速率差大，且两种刻蚀条件下中心区域的刻蚀速率变化比边缘区域的刻蚀速率变化大，表示在第2步所述刻蚀条件下中心区域的刻蚀图形的关键尺寸变小且形貌变斜。

7.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述用膜厚测量设备测量所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差，包括如下步骤：

第1步，用膜厚测量设备测量刻蚀前后所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的厚度；

第2步，将所述有薄膜的光片的边缘区域在刻蚀后的厚度减去刻蚀前的厚度，得到所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率；

将所述有薄膜的光片的中心区域在刻蚀后的厚度减去刻蚀前的厚度，得到所述有薄膜的光片的中心区域的刻蚀速率；

第3步，将所述有薄膜的光片的边缘区域的刻蚀速率减去中心区域的刻蚀速率，得到所述有薄膜的光片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率差。

8.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述膜厚测量设备至少包括光学膜厚测试仪。

9.根据权利要求1所述的快速优化刻蚀均匀性的方法，其特征是：所述刻蚀包括介质膜刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀中的一种或多种。

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